難道是相對論拯救了太陽系？

一個世紀前，出現了一個大問題，以至於動用了一個愛因斯坦才得以解決。

「借鑒昨日，活在當下，憧憬明天。重要的是不要停止發問。」

——阿爾伯特·愛因斯坦

數千年來，縱觀人類歷史，九大行星與月亮就是我們對變幻莫測的宇宙僅有的認知。恆星與銀河夜復一夜、年復一年總是同樣的面貌，或者說改變得太少又太慢，以至於人類從不曾對它們留意。細心的人會發現，行星的運動並非隨意為之，而是有跡可循，分為順行與逆行。

解釋它們在天空中的運動軌跡主要有兩種方法：

1. 地心說，即這些行星以地球為中心運動

2. 日心說，即這些行星以太陽為中心運動，而地球只是這些行星中的一員。

將近兩千年間，大行其道的都是前者。在16世紀哥白尼提出後者後，伽利略、開普勒的研究都有力地支持了日心說，最終由艾薩克·牛頓完成了日心說一統江湖之大業。

牛頓的突破是最偉大的，因為他不僅描述了這些行星的表現——圍繞太陽呈橢圓軌道運動——還賦予了這種表現以新機制：萬有引力定律。這一引力定律不僅適用於地球，還適用於所有的天體。它解釋了為什麼衛星要圍繞母星運轉，為什麼彗星能反覆出現且常被其他行星干擾，為什麼地球上有潮汐，以及為什麼行星之間不會互相干擾。

萬有引力定律還解釋了一些更微妙的現象，一些後人很久之後才注意到的現象。

如果宇宙只包含兩個質點：太陽和一顆行星，那麼這顆行星的軌道將是完美的橢圓形，它每繞太陽轉完一周都會回到起點。?然而在牛頓力學框架下，太陽系中存在著諸多質量體，這一橢圓會進動或在其自身軌道上發生輪轉。在19世紀中期，天王星的軌道偏差引出了海王星的發現即是因為海王星的引力作用使天王星發生了攝動。

然而，在太陽系內部，距離太陽最近的水星也存在類似的問題。

藉由16世紀以來具體和準確的觀測（這還要歸功於第谷·布拉赫），我們得以測量出水星的近日點是如何進動的。算得的數值是慢到不可思議的每世紀5600角秒：一百年才1.5度多！其中5025角秒來自地球的晝夜平分點，532角秒來自牛頓引力。

可是問題來了：5025+532不等於5600。其和雖然近似5600卻少了相當一部分。那麼，為什麼？

自然，解釋有好幾種：

1. 或許數據有誤。畢竟小於百分之一的錯誤好像也沒什麼值得恐慌的。然而錯誤小於0.2%意味著數據是可信的。

2. 或許有行星比水星更接近太陽。這一解釋是由預言了海王星存在的奧本·勒維耶提出來的。然而經過徹底的搜索，並沒有找到其他星體。

3. 或許牛頓力學定律需要微調。平方反比定律可能不夠精確，r2中2的精度不是2.0，而是2.0000000幾。這一解釋的提出人是西蒙·紐康姆和阿薩夫·霍爾。

然而這些解釋都無法令人滿意。

直到愛因斯坦在龐加萊和閔可夫斯基研究的基礎上將時間和空間統一為一個整體，於1915年11月25日發布了廣義相對論，以公式解出水星每百年進動為43」，才終於對前人的觀測做出了解釋。

天文與物理界掀起了軒然大波。此後不到兩個月，卡爾·史瓦西通過計算得到了愛因斯坦引力場方程的一個真空解，預言了黑洞的存在。之後，星光的偏移與引力紅/藍移在觀測中被證實。最後，1919年的日全食證實了廣義相對論的正確性，廣義相對論取代了牛頓引力定律。

自那時起，廣義相對論中的種種預言，從引力透鏡、慣性系拖曳效應到軌道衰減及其他都一一被證實了。觀測從沒有一次與理論相衝突。一個世紀後，更先進的觀察手段和對太陽系的更深入了解將水星近日點進動的精度提高到每百年百分之一角秒，理論與觀測前沿面臨的不確定性還在繼續。

下一個世紀，會有哪些新的發現和新的可能性？我們拭目以待。

文章來源：Medium文章作者：Ethan Siegel編譯：未來論壇（futureforum） 商白

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